Cuando se usó en un ánodo, el catalizador se mantuvo estable durante más de 600 horas a alta densidad de energía, un récord para un catalizador basado en cátodo.
Un equipo europeo de científicos liderado por el ICFO (Barcelona) ha logrado un avance significativo en la producción sostenible de hidrógeno verde mediante electrólisis del agua. Este nuevo diseño de catalizador aprovecha propiedades inexploradas del agua para ofrecer una alternativa a las materias primas críticas usadas en condiciones industriales relevantes.
El hidrógeno es una fuente prometedora para la descarbonización de nuestra sociedad, ya que su uso como combustible no genera dióxido de carbono. Sin embargo, la producción actual de hidrógeno se basa mayormente en el metano, un combustible fósil, cuyo procesamiento genera emisiones significativas de dióxido de carbono. Por ello, la electrólisis del agua, que puede operar con energías renovables, se presenta como una solución viable para producir hidrógeno verde.
La Electrólisis del Agua
La electrólisis del agua requiere catalizadores catódicos y anódicos para acelerar las reacciones de división del agua en hidrógeno y oxígeno. La tecnología de membrana de intercambio de protones (PEM) es una de las más prometedoras para producir hidrógeno verde debido a su alta eficiencia energética y capacidad de operar a altas tasas.
Sin embargo, la PEM ha dependido de catalizadores hechos de elementos raros y costosos como el platino y el iridio. Este último es especialmente crítico para los catalizadores anódicos debido a su capacidad de operar en ambientes altamente ácidos y corrosivos. Dada la escasez del iridio, encontrar alternativas ha sido un reto crucial.
Innovación en Catalizadores
Un equipo multidisciplinar ha desarrollado un nuevo catalizador sin iridio que, por primera vez, muestra estabilidad en la electrólisis del agua a través de PEM en condiciones industriales. Este avance ha sido publicado en Science y ha sido liderado por investigadores del ICFO, con la colaboración de varias instituciones europeas.
Desafíos de la Acidez
Los catalizadores deben ser tanto activos como estables en ambientes ácidos. La mayoría de los materiales tienden a disolverse bajo estas condiciones. La búsqueda de alternativas al iridio ha llevado a estudios prometedores con materiales basados en manganeso y óxido de cobalto, aunque muchos de estos estudios se han realizado en condiciones que no son aplicables a nivel industrial.
El Nuevo Catalizador: Un Enfoque Diferente
Para superar estos retos, los investigadores diseñaron un catalizador a base de cobalto, un material abundante y barato. Su enfoque se centró en involucrar activamente el agua y sus fragmentos en la estructura del catalizador. Este proceso, llamado delaminación, intercambia partes del material por agua y grupos hidroxilo, protegiendo así el catalizador en condiciones desafiantes.
Proceso de Delaminación
El equipo utilizó el óxido de cobalto-tungsteno (CoWO4) como material base y lo sometió a un proceso de delaminación en soluciones acuosas básicas. Esto eliminó los óxidos de tungsteno, que fueron reemplazados por agua y grupos hidroxilo. Utilizando técnicas espectroscópicas avanzadas, el equipo pudo observar la incorporación de agua en el catalizador, lo cual mejoró su actividad y estabilidad.
Resultados Prometedores
El catalizador delaminado mostró un rendimiento notable en reactores PEM, alcanzando una densidad de corriente de 1 A/cm² y más de 600 horas de estabilidad. Estos resultados superan significativamente las técnicas anteriores, marcando un hito en la investigación de catalizadores sin iridio.
Hacia la Industrialización
El equipo ha solicitado una patente para esta técnica y está trabajando en ampliar su uso a niveles industriales. Aunque el cobalto sigue siendo un material de preocupación debido a su origen, los investigadores están explorando alternativas basadas en otros elementos como manganeso y níquel.
Este avance representa un paso significativo hacia la producción de hidrógeno verde sin depender de elementos raros como el iridio. La innovación en el diseño de catalizadores, aprovechando las propiedades del agua, abre nuevas posibilidades para la electrólisis del agua y la producción sostenible de hidrógeno.
REFERENCIA: Water-hydroxide trapping in cobalt tungstate for proton exchange membrane water electrolysis, Ranit Ram, Lu Xia, Hind Benzidi, Anku Guha, Viktoria Golovanova, Alba Garzón, Manjón, David Llorens Rauret, Pol Sanz Berman, Marinos Dimitropoulos, Bernat Mundet, Ernest Pastor, Verónica Celorrio, Camilo A. Mesa, Aparna M. Das, Adrián Pinilla-Sánchez, Sixto Giménez, Jordi Arbiol, Núria López, F. Pelayo García de Arquer, 2024, Science, https://doi.org/10.1126/science.adk9849
Vía www.icfo.eu
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